矽片臺雙臺交換曝光系統及雙臺交換方法
2023-06-04 21:05:41
專利名稱：矽片臺雙臺交換曝光系統及雙臺交換方法
技術領域：
本發明涉及一種半導體製造設備，具體涉及一種用於半導體光刻機中的矽 片臺雙臺交換曝光系統。本發明還涉及一種基於上述系統的矽片臺雙臺交換方 法。
背景技木
光刻是半導體製造過程中 一道非常重要的工序，它是將一 系列掩模版上的 晶片圖形通過曝光依次轉移到矽片相應層上的工藝過程，被認為是大規模集成 電路製造中的核心步驟。半導體製造中 一 系列複雜而耗時的光刻工藝主要由相 應的光刻機來完成，而光刻工藝的效率對半導體晶片的生產率具有至關重要的 影響。
對於一道典型的光刻流程而言，用於承載矽片的矽片臺將依次完成以下各
道工序預對準、接片、對準、曝光、下片。作為光刻機重要組成部分的矽片 臺系統，其運行效率在很大程度上決定著光刻機的生產效率。
為了提高矽片臺的運行效率，不斷提高其運動速度是途徑之一。然而，速 度的不斷提高勢必會導致系統動態性能的惡化，從而提高了對保護裝置和運動 精度控制，以及對矽片臺結構的要求，其成本必然會大幅增加。
目前，採用雙矽片臺技術的曝光系統成為一種較為理想的解決方案。由於 用於矽片曝光工序的時間相對較長，因此，在一個矽片臺進行曝光工作的同時， 可將預對準、接片、對準、下片等測量工作轉移至另外一個矽片臺上進行。在 不提高矽片臺速度的前提下，兩個矽片臺可以並行作業，待曝光工序完成後， 兩矽片臺進行工位交換，因此，在單位時間內，光刻才幾可以對更多的矽片進4亍 曝光，大幅提高了晶片的生產效率。
美國專利US6498350B2公布了一種雙珪片臺技術，實現了兩矽片臺的工位 交換。然而，兩矽片臺在實現工位交換時，耦合連接件與矽片臺短暫分離，雖有定位裝置來保證各矽片臺的位置不動，但矽片臺與導軌的短暫脫離仍會對系 統的定位精度造成影響。另外，系統在基臺上增加了防護和檢測裝置，防止兩 矽片臺在工位交換時發生碰撞，增加了系統的複雜度，可靠性也會相應下降。
美國專利US6654100B2給出的雙臺曝光系統則在兩個測量工位之間設置了 一個公用的曝光工位。每個測量工位都獨立配置一套上下片和對準裝置，處於 兩測量工位的矽片臺交替移至中間的曝光工位進行曝光，而後再回到各自原來 的測量工位。相比而言，該方案由於增加了一對上下片和對準裝置，整個雙臺 曝光系統的成本將會增加。
中國專利03156436.4採用一對雙側直線導軌實現雙石圭片臺的工位交換，交 換方式簡單，效率較高。然而，該系統對導軌的對接精度要求高。在矽片臺交 換時需要採用帶驅動裝置的橋接結構，也增加了系統的複雜性。
中國專利200710119275.7公開了一種由4組雙自由度驅動單元實現矽片臺 雙臺交換的結構，該裝置整體布局簡單，但需要兩相鄰雙自由度驅動單元同步 運動，因此對同步控制要求較高。其次，4組驅動單元結構複雜，兩矽片臺在工 位交換時，同樣存在發生碰撞的可能。
針對上述問題，本發明的技術方案旨在提供一種結構簡單，安全可靠，交 換效率較高的雙臺曝光系統。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種矽片臺雙臺交換曝光系統，它可以 簡單快速地完成兩矽片臺的工位互換，避免兩矽片臺之間發生碰撞，且能夠提 高工位交換時兩矽片臺的位置精度。為此，本發明還要提供一種基於上迷系統 的矽片臺雙臺交換方法。
為了解決以上技術問題，本發明提供了一種矽片臺雙臺交換曝光系統，包 括基臺，處於不同工位的2個矽片臺，相互垂直設置的X梁和Y梁，分別對稱 設置於基臺兩側的2個X向直線導軌和2個Y向直線導軌，及驅動與夾緊單元； 所述X梁和Y梁的兩端分別設置在所述Y向直線導軌和X向直線導軌中且能夠 沿直線導軌自由滑動；
所述Y梁由雙側直線導軌和連接架組成，所述雙側直線導軌和連接架為錯層結構，所述X梁設置在所述Y梁的連接架下方；
所述2個X向直線導軌、所述2個Y向直線導軌，以及所述Y梁的雙側直 線導軌在同一水平高度上；
所述驅動與夾緊單元分別設置於X梁和Y梁上，用於驅動並攜帶矽片臺移 動，當所述的2個矽片臺移動至一交換位置時，其中至少1個矽片臺同時被X 梁和Y梁上的驅動與夾緊單元承載，從而實現該矽片臺從X梁至Y梁上的轉移， 或者從Y梁至X梁上的轉移。
基於上述矽片臺雙臺交換曝光系統，本發明還提供了 一種矽片臺雙臺交換 方法，包括如下步驟
(1)第一矽片臺由Y梁上的一驅動與夾緊單元攜帶，第二矽片臺由X梁 上的一驅動與夾緊單元攜帶，分別在測量工位區和曝光工位區進行測量和曝光 工序，所述Y梁和X梁上還各自具有另一空閒的驅動與夾緊單元，分別與Y梁 和X梁作同步運動；
(2 ) Y梁和Y梁上的驅動夾緊單元攜帶第一矽片臺移至交換位置，X梁和 X梁上的驅動夾緊單元攜帶第二矽片臺移至交換位置，在所述交換位置，第一 和第二矽片臺均同時被X梁和Y梁上的驅動與夾緊單元承載；
(3) 使承載著同一矽片臺的兩個驅動與夾緊單元同時夾緊該矽片臺，再使 該矽片臺脫離原先夾緊它的驅動與夾緊單元，實現第二矽片臺從X梁至Y梁的 轉移，和第一矽片臺從Y梁至X梁的轉移；
(4) 第一矽片臺由Y梁和Y梁上的驅動與夾緊單元攜帶至曝光工位區， 第二矽片臺由X梁和X梁上的驅動與夾緊單元攜帶至測量工位區，完成工位互 換。
基於上述矽片臺雙臺交換曝光系統，本發明還提供了另一種矽片臺雙臺交 換方法，包括如下步驟
(1)第一矽片臺由Y梁上的一驅動與夾緊單元攜帶，第二矽片臺由X梁 上的一驅動與夾緊單元攜帶，分別在測量工位區和曝光工位區進行測量和曝光 工序，所述Y梁上還具有另一空閒的驅動與夾緊單元，與Y梁作同步運動；
(2 ) Y梁和Y梁上的驅動夾緊單元攜帶第一矽片臺移至交換位置，X梁和 X梁上的驅動夾緊單元攜帶第二矽片臺移至交換位置，在所述交換位置，第二矽片臺同時被X梁上的驅動與夾緊單元和Y梁上閒置的驅動與夾緊單元承載；
(3) Y梁上閒置的驅動與夾緊單元夾緊第二矽片臺，然後第二矽片臺脫開 X梁上的驅動與夾緊單元，淨皮脫開的X梁的驅動與夾緊單元移動至第一矽片臺 下方並夾緊第一矽片臺，然後第一矽片臺脫開Y梁上的驅動與夾緊單元，實現 第二矽片臺從X梁至Y梁的轉移，和第一矽片臺從Y梁至X梁的轉移；
(4) 第一矽片臺由Y梁和Y梁上的驅動與夾緊單元攜帶至曝光工位區， 第二矽片臺由X梁和X梁上的驅動與夾緊單元攜帶至測量工位區，完成工位互 換。
本發明採用垂直設置的X梁、Y梁及驅動與夾緊單元進行矽片臺位置交換， 具有以下優點1、工位交換流程筒單，交換效率高；2、工位交換時，矽片臺 沒有脫離導軌，保證了其位置精度；3、工位交換時，兩矽片臺不會發生碰撞。
下面結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步詳細說明。 圖1是本發明的矽片臺雙臺交換曝光系統的整體結構布局示意圖； 圖2A至圖2D是實施例1中雙矽片臺交換過程的分步示意圖； 圖3A至圖3E是實施例2中雙矽片臺交換過程的分步示意圖； 圖4是實施例3的矽片臺雙臺交換曝光系統的結構示意圖； 圖5是實施例3的矽片臺雙臺交換曝光系統的俯視圖。 圖中的附圖標記為la、矽片臺；lb、矽片臺；2、基臺；201、測量工位 區；202、曝光工位區；3a、驅動與夾緊單元；3b、驅動與夾緊單元；4a、 Y向 直線導軌；4b、 Y向直線導軌；5、 X梁；6、電樞；7a、 X向直線導軌；7b、 X 向直線導軌；8、矽片臺框架；9、 Y梁；901、雙側直線導軌；902、連接架； 10a、驅動與夾緊單元；10b、驅動與夾緊單元。
具體實施例方式
實施例1
如圖l所示，為本發明的矽片臺雙臺交換曝光系統的整體結構布局示意圖。 矽片臺框架8為雙臺系統的支撐框架，系統主要包括基臺2，處於不同工位的2個矽片臺la、 lb,相互垂直設置的X梁5和Y梁9，分別對稱設置於基臺2兩 側的2個X向直線導軌7a、 7b和2個Y向直線導軌4a、 4b，及用於驅動並攜 帶矽片臺la、 lb移動的驅動與夾緊單元3a、 3b、 10a、 10b。兩石圭片臺la和lb 在矽片臺底部的垂向真空預載軸承或永磁預載軸承的作用下可以在基臺2上做 無摩擦移動。
X梁5與Y梁9相互正交，Y梁9由雙側直線導軌901和連接架902組成， 雙側直線導軌901和連接架902為錯層結構，連接架902的高度高於雙側直線 導軌901,且該高度可允許X梁5及其上的驅動與夾緊單元承載著矽片臺通過Y 梁9的連接架902下方。
Y梁9藉助兩端電樞6a與對稱設置在矽片臺框架8兩側的X向直線導軌7a、 7b相耦合，在電》茲驅動力作用下攜帶矽片臺la可沿X方向運動。同理X梁5 藉助兩端電樞6b與對稱設置在矽片臺框架8兩側的Y向直線導軌4a、 4b相耦 合，在電磁驅動力作用下攜帶矽片臺lb可沿Y方向運動。
X向直線導軌7a、 7b, Y向直線導軌4a、 4b，以及Y梁9的雙側直線導軌 901在同一水平高度上。
矽片臺la通過Y梁上的驅動與夾緊單元10a與雙側直線導軌901相耦合， 驅動與夾緊單元10a在電磁驅動力作用下攜帶矽片臺la可沿Y梁9在Y方向運 動。同理，矽片臺lb通過X梁上的驅動與夾緊單元3b與X梁5相耦合，驅動 與夾緊單元3b在電磁驅動力作用下攜帶矽片臺lb可沿X梁5在X方向運動。
參見圖2A,虛線所示測量工位區201和曝光工位區202分別表示矽片臺在 測量工位和曝光工位的運動範圍，兩^f圭片臺的交換位置在測量工位區201和曝 光工位區202的交界處(即圖2C中的矽片臺la、 lb所在的位置)。Y梁9在X 方向的移動範圍位於測量工位區201內，X梁5在Y方向的移動範圍位於曝光 工位區202內。4組相同的驅動與夾緊單元3a、 3b、 10a和10b功能在於夾持相 應工位的矽片臺，並與相應橫梁的直線導軌發生耦合，攜帶矽片臺沿橫梁運動； 同時，4組驅動與夾緊單元3a、 3b、 10a和10b可在交換位置時，在兩矽片臺之 間實現夾緊切換，順利完成工位交換。
圖2A至圖2D闡述了矽片臺la、lb在一般情況下完成一輪工位交換的過程， 詳細i兌明i口下第一步，如圖2A所示，系統工作狀態下，矽片臺la由Y梁上的驅動與夾 緊單元10a攜帶，矽片臺lb由X梁上的驅動與夾緊單元3b攜帶，並分別在測 量工位區201和曝光工位區202進行測量和曝光工作。
第二步，如圖2B和2C所示，當兩矽片臺完成各自工位的工作，即開始交 換工位。Y梁9和Y梁的驅動與夾緊單元10a協同運動將矽片臺la移至交換位 (圖2B )， X梁5和X梁的驅動與夾緊單元3b協同運動將矽片臺lb移至交換 位包括兩步首先X梁的驅動與夾緊單元3b攜帶矽片臺lb穿過Y梁9的連接 架902的下方，到達Y梁9的另一側(圖2B);然後X梁攜同驅動與夾緊單元 3b以及其上的矽片臺lb移至交換位置(圖2C)。此時，驅動與夾緊單元3a和 10b均處於閒置狀態。
第三步，如圖2C所示，當閒置的驅動與夾緊單元3a、 10b以及^f圭片臺la、 lb均運動至交換位置(即圖2C中的矽片臺la、 lb所在的位置)時，X梁上的 驅動與夾緊單元3a恰好位於矽片臺la的右側底部，而Y梁9上的驅動與夾緊 單元10b則恰好位於矽片臺lb的上側底部。驅動與夾緊單元3a夾緊矽片臺la， 然後，驅動與夾緊單元10a脫開矽片臺la;與此同時，驅動與夾緊單元10b夾 緊矽片臺lb,然後，驅動與夾緊單元3b脫開矽片臺lb,從而實現兩矽片臺的 交換。由圖中可見，矽片臺la、 lb在交換工位時，分別位於Y梁9的兩側，從 而避免了兩矽片臺之間發生碰撞。另外，矽片臺la、 lb在交換時， 一個驅動與 夾緊單元先夾緊矽片臺，另外一個再脫開，每個矽片臺沒有脫離直線導軌的狀 態，從而保證了工位交換時兩矽片臺的位置精度。
第四步，如圖2D所示，兩矽片臺順利實現工位交換，矽片臺la到達曝光 工位區202,矽片臺lb到達測量工位區201,並開始在區域內進行各自的工作。
兩矽片臺完成圖2D所示工位工作並再次交換工位時，各矽片臺的運動過程 與上述過程相逆即可。
從上述兩矽片臺工位交換流程來看，交換方式簡捷，交換步驟少，效率高。 採用直線導軌利用電磁力驅動矽片臺運動，從而使整個雙臺交換曝光系統的結 構可以很簡單。
實施例2
去掉實施例1中的驅動與夾緊單元3a可得到實施例2。此時，雙臺交換曝光系統在工位交換時的動作與實施例l略有不同，i兌明如下
如圖3A和圖3B所示，前兩步的動作流程與實施例1相同，參見實施例1 中的相應內容。具體交換過程包括
第三步，參考圖3C，當閒置的驅動與夾緊單元10a以及矽片臺la、 lb運動 至交換工位時，Y梁9上的驅動與夾緊單元10b恰好位於矽片臺lb的上側底部， 驅動與夾緊單元10b夾緊矽片臺lb,然後，驅動與夾緊單元3b脫開矽片臺lb。
第四步，參考圖3D,脫開的驅動與夾緊單元3b沿X梁5移動至矽片臺la 的右側底部，到達Y梁9另一側的交換位置。該移動過程可以是驅動與夾緊單 元3b從圖3C所示的位置直接向上移動到圖3D所示的位置，也可以先向右移動 X梁一定距離，再使驅動與夾緊單元3b向上移動，然後再使X梁向左移動至交 換位置，如此可以避免驅動與夾緊單元3b在移動過程中與Y梁發生幹涉。當驅 動與夾緊單元3b移動至圖3D所示的位置時，驅動與夾緊單元3b夾緊矽片臺 la，然後，驅動與夾緊單元10a脫開矽片臺la,實現交換。
當兩矽片臺la、 lb順利實現X梁攜帶變為Y梁攜帶或Y梁攜帶變為X梁 攜帶後，矽片臺la移至曝光工位區202內的曝光工位，矽片臺lb移至測量工 位區201內的測量工位，至此兩矽片臺la、 lb完成了工位交換，並開始在區域 內進行各自的工作。
與實施例l相比，實施例2減少了一個驅動與夾緊單元3a,同樣實現了兩 矽片臺的工位交換，但交換步驟增加，在一定程度上P爭低了交換效率。
實施例3
如圖4和圖5所示，修改實施例1中連接架902的結構得到實施例3。實施 例3中兩矽片臺的工位交換過程與實施例1完全相同。不同之處在於連接架902 平行於基臺2的截面呈"l」"形的彎折結構，該彎折結構可以給曝光工位區202 讓出更多的空間，曝光過程中曝光工位上方設有投影物鏡，具有"l」"形的彎折 結構的連接架902可以在更大範圍內沿X方向運動而不與曝光工位上方的投影 物鏡發生幹涉，因此，矽片臺在曝光工位區202和測量工位區201的運動範圍 比實施例1有所增大，從另一方面說，可以使整個雙臺系統的外形尺寸相應減 小。
權利要求
1、一種矽片臺雙臺交換曝光系統，其特徵在於，包括基臺，處於不同工位的2個矽片臺，相互垂直設置的X梁和Y梁，分別對稱設置於基臺兩側的2個X向直線導軌和2個Y向直線導軌，及驅動與夾緊單元；所述X梁和Y梁的兩端分別設置在所述Y向直線導軌和X向直線導軌中且能夠沿直線導軌自由滑動；所述Y梁由雙側直線導軌和連接架組成，所述雙側直線導軌和連接架為錯層結構，所述X梁設置在所述Y梁的連接架下方；所述2個X向直線導軌、所述2個Y向直線導軌，以及所述Y梁的雙側直線導軌在同一水平高度上；所述驅動與夾緊單元分別設置於X梁和Y梁上，用於驅動並攜帶矽片臺移動，當所述的2個矽片臺移動至一交換位置時，其中至少1個矽片臺同時被X梁和Y梁上的驅動與夾緊單元承載，從而實現該矽片臺從X梁至Y梁上的轉移，或者從Y梁至X梁上的轉移。
2、 如權利要求1所述的矽片臺雙臺交換曝光系統，其特徵在於，所述X 梁和Y梁兩端均通過電樞與所述Y向直線導軌和X向直線導軌連接。
3、 如權利要求1所述的矽片臺雙臺交換曝光系統，其特徵在於，所述X 梁和Y梁上各設置有2個所述的驅動與夾緊單元。
4、 如權利要求l所述的矽片臺雙臺交換曝光系統，其特徵在於，所述Y 梁上設置有2個所述的驅動與夾緊單元，所述X梁上設置有1個所述的驅動與 夾緊單元。
5、 如權利要求1所述的矽片臺雙臺交換曝光系統，其特徵在於，所述Y 梁的連接架與所述基臺平行的截面為"U"形的彎折結構。
6、 如權利要求1所述的矽片臺雙臺交換曝光系統，其特徵在於，所述的 不同工位包括曝光工位和測量工位，所述基臺被劃分為曝光工位區和測量工位 區。
7、 如權利要求6所述的矽片臺雙臺交換曝光系統，其特徵在於，所述的 交換位置在曝光工位區和測量工位區的交界處。
8、 如權利要求7所述的矽片臺雙臺交換曝光系統，其特徵在於，所述Y 梁在X方向的移動範圍位於所述測量工位區內，所述X梁在Y方向的移動範 圍位於所述曝光工4立區內。
9、 一種矽片臺雙臺交換方法，其特徵在於，包括如下步驟(1) 第一矽片臺由Y梁上的一驅動與夾緊單元攜帶，第二矽片臺由X梁 上的一驅動與夾緊單元攜帶，分別在測量工位區和曝光工位區進行測量和曝光 工序，所述Y梁和X梁上還各自具有另一空閒的驅動與夾緊單元，分別與Y 梁和X梁作同步運動；(2) Y梁和Y梁上的驅動夾緊單元攜帶第一矽片臺移至交換位置，X梁 和X梁上的驅動夾緊單元攜帶第二矽片臺移至交換位置，在所述交換位置，第 一和第二矽片臺均同時被X梁和Y梁上的驅動與夾緊單元承載；(3) 使承載著同一矽片臺的兩個驅動與夾緊單元同時夾緊該矽片臺，再 使該矽片臺脫離原先夾緊它的驅動與夾緊單元，實現第二矽片臺從X梁至Y 梁的轉移，和第一矽片臺從Y梁至X梁的轉移；(4) 第一矽片臺由Y梁和Y梁上的驅動與夾緊單元攜帶至曝光工位區， 第二矽片臺由X梁和X梁上的驅動與夾緊單元攜帶至測量工位區，完成工位 互換。
10、 如權利要求9所述的矽片臺雙臺交換方法，其特徵在於，步驟(3) 具體包括X梁上閒置的驅動與夾緊單元夾緊第一矽片臺，然後Y梁上的驅動與夾緊 單元脫開第一矽片臺；Y梁上閒置的驅動與夾緊單元夾緊第二矽片臺，然後X梁上的驅動與夾緊 單元脫開第二矽片臺。
11、 如權利要求9所述的矽片臺雙臺交換方法，其特徵在於，步驟(2) 所述的X梁和X梁上的驅動夾緊單元攜帶第二矽片臺移至交換位置包括X梁的驅動與夾緊單元攜帶第二矽片臺穿過Y梁的連接架的下方，到達Y 梁的另一側；X梁攜同驅動與夾緊單元以及其上的第二矽片臺移至交換位置。
12、 一種矽片臺雙臺交換方法，其特徵在於，包括如下步驟(1) 第一矽片臺由Y梁上的一驅動與夾緊單元攜帶，第二矽片臺由X梁 上的一驅動與夾緊單元攜帶，分別在測量工位區和曝光工位區進行測量和曝光 工序，所述Y梁上還具有另一空閒的驅動與夾緊單元，與Y梁作同步運動；(2) Y梁和Y梁上的驅動夾緊單元攜帶第一矽片臺移至交換位置，X梁 和X梁上的驅動夾緊單元攜帶第二矽片臺移至交換位置，在所述交換位置，第 二矽片臺同時被X梁上的驅動與夾緊單元和Y梁上閒置的驅動與夾緊單元承載；(3) Y梁上閒置的驅動與夾緊單元夾緊第二矽片臺，然後第二矽片臺脫 開X梁上的驅動與夾緊單元，被脫開的X梁的驅動與夾緊單元移動至第一矽 片臺下方並夾緊第一矽片臺，然後第一矽片臺脫開Y梁上的驅動與夾緊單元， 實現第二矽片臺從X梁至Y梁的轉移，和第一矽片臺從Y梁至X梁的轉移；(4) 第一矽片臺由Y梁和Y梁上的驅動與夾緊單元攜帶至曝光工位區， 第二矽片臺由X梁和X梁上的驅動與夾緊單元攜帶至測量工位區，完成工位 互換。
13、 如權利要求12所述的矽片臺雙臺交換方法，其特徵在於，步驟(2) 所述的X梁和X梁上的驅動夾緊單元攜帶第二矽片臺移至交換位置包括X梁的驅動與夾緊單元攜帶第二矽片臺穿過Y梁的連接架的下方，到達Y 梁的另一側；X梁攜同驅動與夾緊單元以及其上的第二矽片臺移至交換位置。
全文摘要
本發明公開了一種矽片臺雙臺交換曝光系統，包括基臺、處於不同工位的2個矽片臺、相互垂直設置的X梁和Y梁、分別對稱設置於基臺兩側的2個X向直線導軌和2個Y向直線導軌、及驅動與夾緊單元；X梁和Y梁沿直線導軌自由滑動，Y梁由錯層結構的雙側直線導軌和連接架組成，X梁設置在連接架下方；直線導軌和雙側直線導軌在同一水平高度上；驅動與夾緊單元用於驅動並攜帶矽片臺移動。本發明矽片臺交換位置時，至少1個矽片臺同時被X梁和Y梁上的驅動與夾緊單元承載，從而實現從X梁至Y梁的轉移，或者從Y梁至X梁的轉移。本發明流程簡單，交換效率高，工位交換時矽片臺沒有脫離導軌，保證了其位置精度，且兩矽片臺也不會發生碰撞。
文檔編號G03F7/20GK101614964SQ200910056279
公開日2009年12月30日 申請日期2009年8月11日 優先權日2009年8月11日
發明者育 劉, 王天明, 磊 秦, 袁志揚 申請人:上海微電子裝備有限公司